SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE

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1 SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE ANDREA CARTA DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA INDUSTRIALE UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI XX CICLO

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3 SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE ANDREA CARTA TUTOR: PROF. NICOLA LOCCI DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA INDUSTRIALE UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI XX CICLO

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5 Alla memoria di Nadia

6 RINGRAZIAMENTI Questa tesi è il completamento di tre anni di lavoro durante i quali ho avuto il piacere e l onore di collaborare con diverse persone che hanno contribuito alla mia crescita professionale e umana. Un sentito ringraziamento al mio tutor, Prof. Nicola Locci, per il supporto, la guida e gli impagabili insegnamenti nell attività di ricerca. Desidero ringraziare con grande stima personale il Prof. Carlo Muscas per il costante supporto scientifico e umano e per la sua grande disponibilità. Un ringraziamento speciale alla Dr.ssa Sara Sulis per i preziosi insegnamenti e consigli forniti durante tutto il periodo del dottorato. Esprimo inoltre la mia gratitudine a tutti i colleghi del Dipartimento con i quali ho condiviso tre anni indimenticabili. Infine voglio ringraziare la mia famiglia, per l affetto e il sostegno che mi ha sempre offerto, e tutti i miei amici che mi sono stati vicini durante questo periodo.

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8 INDICE INDICE Introduzione Sistemi di misura sincronizzati nelle reti elettriche Introduzione Problematiche di gestione e controllo nei moderni sistemi di distribuzione Gestione energetica Sistemi di protezione Misure di power quality Sistemi di misura distribuiti nelle reti elettriche di distribuzione Sistemi PMU Applicazioni delle unità PMU nei sistemi elettrici Monitoraggio e controllo in real-time Stima dello stato dei sistemi elettrici Analisi post-disturbo Rienergizzazione dei sistemi elettrici Protezioni adattative Separazione pianificata Gestione della congestione in real-time Individuazione dei parametri critici e ricostruzione dei modelli di sistema Sistemi di sincronizzazione temporale Introduzione Sistemi di sincronizzazione satellitare GLOBAL POSITIONING SYSTEM Il segmento satellitare SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE i

9 INDICE Il segmento di controllo terrestre Il segmento utente GLONASS GALILEO Sistemi di sincronizzazione su reti informatiche Network Time Protocol Precise Time Protocol Sorgenti di sincronizzazione terrestre Sincronizzazione DCF Sincronizzazione SRC Segnali radio WWV e WWVH Segnali radio WWVB LORAN-C Fasori sincronizzati Introduzione Standard C Definizione di sincrofasore Sincronizzazione temporale Limiti di accuratezza e verifiche di conformità Valutazione dei sincrofasori Considerazioni sulla fase assoluta dei sincrofasori Fasori armonici sincronizzati Misura dei fasori sincronizzati per applicazioni in reti elettriche di distribuzione Introduzione Procedure per la misura dei fasori sincronizzati Riallocazione dei campioni Valutazione dei fasori sincronizzati Finestra di osservazione di durata fissa SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE ii

10 INDICE Finestra di osservazione di durata adattabile Procedure di misura dei fasori sincronizzati per applicazioni su sistemi trifase Decimazione dei campioni Valutazione dei fasori armonici sincronizzati e routine di compensazione Architettura del sistema di misura dei fasori sincronizzati Introduzione Sistema di misura distribuito per la misura dei fasori sincronizzati Sistemi di acquisizione Schede di acquisizione plug-in Schede di acquisizione esterne Sistemi modulari di acquisizione Sistema di sincronizzazione Strumenti virtuali per l implementazione delle procedure di misura Lo strumento virtuale Synchrophasor Measurement System Lo strumento virtuale PMU prototype for three-phase distribution systems 81 6 Prove sperimentali e analisi dei risultati Validazione delle procedure per la misura dei fasori sincronizzati Prove sperimentali con segnale fornito da generatore di funzioni Prove sperimentali con segnale acquisito su rete di distribuzione Caratterizzazione di un prototipo PMU per applicazioni su sistemi trifase Considerazioni Conclusioni Bibliografia SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE iii

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12 INTRODUZIONE INTRODUZIONE Nel corso degli ultimi anni si stanno sviluppando dei significativi cambiamenti nella configurazione dei sistemi di distribuzione dell energia elettrica. Motivazioni di carattere economico e sociale impongono una maggiore attenzione verso le problematiche di sviluppo sostenibile rivolte principalmente ad una maggiore sensibilità verso le tematiche ambientali e all impiego di fonti di energia di tipo rinnovabile, in luogo delle fonti in via di esaurimento. Queste ragioni hanno di fatto portato ad una progressiva evoluzione e diffusione degli impianti di generazione distribuita, cioè impianti di produzione di piccola taglia, spesso alimentati da fonti rinnovabili (microturbine, impianti fotovoltaici, turbine eoliche, celle a combustibile, ecc.), collocati in diversi punti della rete. Oltre alle motivazioni legate all ecosostenibilità è necessario contemplare la nuova regolamentazione in materia di privatizzazione, liberalizzazione e deregolamentazione del mercato dell energia elettrica, che mira in sostanza a sostituire al regime di monopolio, sinora in atto, dei regimi di tipo concorrenziale. Gli orientamenti in questo senso hanno portato alla separazione degli esercizi di proprietà, gestione delle reti e di vendita di energia all utente finale con un conseguente incremento del numero degli attori presenti nel sistema elettrico. L insieme di questi fattori, unitamente all accresciuta sensibilità da parte degli utenti finali verso le problematiche di qualità del servizio, sta determinando una forte spinta al cambiamento e all innovazione dei sistemi di distribuzione dell energia elettrica. Nasce l'esigenza di studiare problematiche di gestione, monitoraggio e controllo diverse da quelle affrontate tradizionalmente. Da un punto di vista della gestione energetica, appare opportuno poter controllare a distanza sistemi dispersi sul territorio, basati su tecnologie diverse, in modo da ottenere dal loro utilizzo il massimo vantaggio funzionale ed economico. I sistemi di protezione per le reti di distribuzione, ideati per strutture radiali nelle quali il flusso di energia è unidirezionale, devono essere riconsiderati per tener conto della presenza di sorgenti di alimentazione distribuite che modificano le strutture locali della rete rendendole non più radiali. In generale le problematiche di dispacciamento energetico e coordinamento delle protezioni devono essere gestite in modo dinamico, in quanto il sistema elettrico può cambiare configurazione rapidamente. L impatto della generazione distribuita sulla qualità dell energia elettrica ha prodotto una notevole attenzione verso le misure di power quality, cioè verso tutte le azioni volte a SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 1

13 INTRODUZIONE monitorare, qualificare e quantificare i disturbi presenti nelle reti elettriche di potenza. In aggiunta il libero mercato richiede di individuare, tra i diversi soggetti che interagiscono nel sistema elettrico, le responsabilità per i disturbi prodotti. In virtù degli aspetti precedentemente esposti, di non immediata soluzione, diventa necessario impiegare sistemi di misura affidabili e flessibili, in grado di fornire delle informazioni significative sullo stato delle reti. Le indicazioni fornite da tali sistemi di misura possono essere utilizzate sia per aspetti di gestione e controllo del sistema che per fini tariffari dal momento che, nel mercato libero, diventa fondamentale penalizzare i soggetti del sistema elettrico responsabili dei disturbi prodotti in rete. Emerge pertanto la necessità di avere a disposizione con continuità delle informazioni aggiornate sulle grandezze elettriche: ciò rende indispensabile la realizzazione di sistemi di misura distribuiti su larga scala in grado di operare misure sui diversi nodi di una rete di distribuzione. In una strategia basata sull impiego di unità dislocate su lunga distanza è necessario definire delle opportune procedure per garantire la riferibilità dei risultati di misura. I rischi, economici e gestionali, derivanti da eventuali decisioni non corrette rendono essenziale valutare la qualità delle informazioni fornite dal sistema di misura. Per soddisfare questa esigenza è necessario disporre di dati di misura che siano continuamente sincronizzati tra loro, in modo estremamente accurato. L aspetto della sincronizzazione delle misure non è un problema di semplice soluzione data la complessità e l estensione dei sistemi a cui si applica. In funzione delle esigenze di misura, variabili da sistema a sistema, i requisiti di accuratezza richiesti nella sincronizzazione possono variare notevolmente. Esistono delle metodologie di misura che sono basate sulla conoscenza in real-time di opportune grandezze, caratteristiche del sistema; in questo caso sono richieste soluzioni in grado di assicurare la riferibilità temporale dei dati (timestamping) con requisiti di sincronizzazione abbastanza stringenti. Non sempre però l'accuratezza dei riferimenti temporali è considerata una specifica critica. Diverse applicazioni, tra cui ad esempio il monitoraggio ambientale, sono basate sulla disponibilità di grandezze mediate nell unità di tempo e pertanto le misure non richiedono necessariamente un elevato grado di sincronizzazione. Tra i diversi apparati impiegati per le pratiche applicazioni di misura distribuite nell ambito delle reti elettriche, i sistemi per la misura dei fasori sincronizzati (Phasor Measurement Unit, PMU) sono quelli che trovano attualmente maggiore diffusione. Questi dispositivi vengono diffusamente impiegati nei sistemi elettrici ed hanno reso possibile notevoli avanzamenti in molte applicazioni di gestione, controllo e monitoraggio. L esperienza mostra che le tecniche di misura adottate per la valutazione dei fasori sincronizzati possono differire, anche significativamente, in riferimento ai diversi sistemi PMU presenti in commercio. Inoltre bisogna osservare che ciascuna specifica applicazione SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 2

14 INTRODUZIONE (individuazione dei guasti, indagini statistiche, applicazioni contrattuali, ecc.) influisce sulla strumentazione e sulle procedure di misura da adottare. La diversa natura dei disturbi che possono verificarsi in una rete di distribuzione rende problematica la definizione di metodologie di misura e di monitoraggio che assumano validità generale. Sulla base dello scenario descritto emerge chiaramente la necessità di disporre di strumenti versatili, in grado di cambiare la propria configurazione in modo rapido. A questo scopo, è auspicabile il ricorso a procedure di misura caratterizzate da una notevole flessibilità, in modo tale che il loro impiego possa essere adattato alle diverse esigenze che si possono manifestare in un sistema di distribuzione. In questo contesto si inserisce l attività di ricerca affrontata. Da un punto di vista operativo il lavoro si pone come obiettivo quello di definire e sviluppare delle metodologie di misura, basate sull impiego di accurate sorgenti di sincronizzazione, per il monitoraggio continuativo delle grandezze elettriche provenienti da diversi punti di un sistema di distribuzione, in termini di fasori sincronizzati. E inoltre possibile caratterizzare il contenuto armonico delle grandezze mediante la definizione e l impiego dei fasori armonici sincronizzati, ottenuti estendendo il concetto di fasore sincronizzato per condizioni di funzionamento in regime non sinusoidale. Le metodologie di misura sviluppate possono essere impiegate per l implementazione di prototipi PMU da impiegare nell ambito di campagne di monitoraggio di lunga durata su reti trifase. Il presente lavoro è strutturato nel seguente modo. Nel primo capitolo vengono esposte le principali ragioni che hanno portato allo sviluppo e alla diffusione dei sistemi di misura distribuiti su larga scala per le applicazioni di gestione, controllo e monitoraggio nelle reti elettriche. Nel secondo capitolo viene effettuata una analisi comparativa tra i principali sistemi di sincronizzazione attualmente impiegati, per ciascuno dei quali vengono illustrate schematicamente le principali caratteristiche funzionali ed i livelli di accuratezza nella sincronizzazione conseguibili. Nel terzo capitolo sono illustrati i requisiti di sincronizzazione e le specifiche di misura previste dallo standard IEEE C per la valutazione dei fasori sincronizzati nei sistemi elettrici di potenza. Nel quarto capitolo vengono descritte delle metodologie di misura dei fasori sincronizzati appositamente sviluppate per applicazioni di monitoraggio sulle reti di distribuzione. Mediante l impiego di sorgenti di sincronizzazione ad alte prestazioni e l utilizzo di hardware di acquisizione general-purpose, risulta possibile realizzare dei sistemi di misura facilmente riconfigurabili e riprogrammabili. Tali sistemi, descritti nel quinto capitolo della tesi, sono gestiti mediante strumentazione virtuale. Infine nel sesto capitolo vengono analizzati i risultati delle prove di caratterizzazione delle procedure di misura realizzate mediante l implementazione di un setup sperimentale ad hoc. SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 3

15 1.SISTEMI DI MISURA SINCRONIZZATI NELLE RETI ELETTRICHE 1 SISTEMI DI MISURA SINCRONIZZATI NELLE RETI ELETTRICHE 1.1 Introduzione I moderni sistemi elettrici possono essere considerati come il risultato di una continua e progressiva evoluzione tecnologica, protrattasi nel corso degli anni, che tiene contestualmente conto delle attuali esigenze di natura economica, politica e sociale. Per molti anni l intero sistema elettrico è stato organizzato secondo un modello statico nel quale l energia elettrica viene generata in grandi centrali di produzione, trasferita in prossimità dei centri di consumo, mediante linee di trasmissione ad alta ed altissima tensione e, infine, distribuita ai consumatori finali mediante i sistemi di distribuzione. Sino a pochi anni fa gli sforzi dedicati allo sviluppo tecnologico dei sistemi elettrici erano rivolti quasi esclusivamente alle reti di trasmissione, soprattutto in conseguenza della progressiva concentrazione delle centrali in punti economicamente vantaggiosi. Questo ha portato a notevoli investimenti per la realizzazione di reti di trasmissione dell energia, sempre più estese ed interconnesse, per il trasferimento di notevoli quantità di energia elettrica a grande distanza con perdite minime. Nel contempo le reti di distribuzione sono state per anni considerate come l ultimo elemento dell intero processo di conversione, trasporto e distribuzione dell energia elettrica, con un ruolo completamente passivo, unicamente rivolto all alimentazione delle utenze elettriche. Le modalità con cui le reti di distribuzione venivano pianificate, progettate ed esercite non hanno subito, per un lungo lasso di tempo, alcun sostanziale mutamento. Solamente a partire dagli ultimi decenni si va assistendo ai primi segnali di un profondo mutamento che andrà gradualmente a modificare e rivoluzionare l intero assetto dei sistemi elettrici. Diverse motivazioni di carattere economico e sociale impongono una sempre maggiore attenzione verso le problematiche di sviluppo sostenibile, basate sulla necessità di una maggiore attenzione verso l ambiente e rivolte ad una progressiva deindustrializzazione e all impiego di fonti di energia di tipo rinnovabile, a discapito delle fonti in via di esaurimento. Queste ragioni hanno di fatto portato ad una progressiva evoluzione e diffusione degli SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 4

16 1.SISTEMI DI MISURA SINCRONIZZATI NELLE RETI ELETTRICHE impianti di generazione distribuita, ovvero impianti di produzione di piccola taglia, spesso alimentati da fonti di energia rinnovabile (microturbine, impianti fotovoltaici, turbine eoliche, celle a combustibile, ecc.). Oltre alle motivazioni legate all ecosostenibilità è necessario contemplare la nuova regolamentazione concernente la privatizzazione, liberalizzazione e deregolamentazione del mercato dell energia elettrica, che mira in sostanza a sostituire al regime di monopolio, sinora in atto, dei regimi di tipo concorrenziale. Specificatamente gli orientamenti in questo senso hanno portato alla separazione degli esercizi di proprietà, gestione delle reti e di vendita di energia all utente finale; spesso le prime due pratiche possono essere associate, la terza invece deve essere svolta da soggetti indipendenti. L insieme di questi fattori, unitamente all accresciuta sensibilità da parte degli utenti finali verso le problematiche di qualità del servizio, sta determinando una forte spinta al cambiamento e all innovazione dei sistemi di distribuzione dell energia elettrica. 1.2 Problematiche di gestione e controllo nei moderni sistemi di distribuzione Nei moderni sistemi di distribuzione dell energia elettrica, soggetti ai citati cambiamenti di natura economica e tecnologica, nasce l esigenza di affrontare nuove problematiche di gestione, controllo e monitoraggio [1-3]. A questo proposito viene di seguito illustrata l evoluzione di alcuni tra i principali aspetti di maggior interesse da considerare nelle moderne reti elettriche di distribuzione Gestione energetica Molti recenti studi e progetti di ricerca nazionale ed internazionale [4] illustrano possibili scenari di gestione dei sistemi di distribuzione dell energia elettrica, tutti basati sull integrazione di impianti di generazione distribuita e sull impiego di moderne tecnologie informatiche e di telecomunicazione. Affinché i sistemi di distribuzione possano accogliere notevoli quantità di generazione distribuita non risulta più opportuno il ricorso a strutture di rete di tipo radiale, nelle quali il flusso di energia è unidirezionale, dalla sorgente verso il carico [5-6]. I nuovi sistemi di SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 5

17 1.SISTEMI DI MISURA SINCRONIZZATI NELLE RETI ELETTRICHE distribuzione prevedono infatti un elevato numero di nodi di generazione, dislocati su tutto il territorio. In quest ottica risulta più appropriato l impiego di strutture di tipo magliato, progettate per gestire flussi di potenza bidirezionali mediante l impiego di dispositivi innovativi per il controllo dei flussi di potenza attiva e reattiva. Le reti magliate sono generalmente caratterizzate da buoni livelli di affidabilità e da una maggiore robustezza alle variazioni dinamiche sui nodi di generazione e di carico; quando necessario prevedono inoltre la possibilità di effettuare una suddivisione in microreti, ciascuna delle quali in grado di determinare in modo autonomo l acquisto di energia dalla rete di trasmissione o direttamente da altre microreti sulla base di diversi parametri (prezzo dell energia, stato dei generatori e dei carichi). I sistemi descritti prendono il nome di reti attive e prevedono la presenza contemporanea di carichi passivi, carichi controllabili e impianti di produzione (generazione distribuita). L obiettivo delle ricerche di settore è finalizzato alla realizzazione di sistemi di distribuzione di tipo autoconfigurante, in grado sia di gestire elevate concentrazioni di risorse energetiche, che di aumentare, allo stesso tempo, il livello di qualità dei servizi offerti. Un sistema di gestione così delineato non può prescindere da un efficiente azione di controllo, anche a distanza, dei sistemi dispersi sul territorio, in modo da ottenere dal loro utilizzo il massimo vantaggio funzionale ed economico. Tra i vari aspetti di gestione, uno di particolare interesse, oggetto di numerose applicazioni e ricerche scientifiche [6], è costituto dai sistemi integrati per il dispacciamento ottimo dell energia elettrica da fonti rinnovabili o assimilate e per il controllo dei carichi. L obiettivo di questi studi è rivolto alla realizzazione di sistemi automatici finalizzati ad ottimizzare la produzione e la distribuzione di energia sulla base di parametri acquisibili dall esterno (costo dell energia, previsioni meteo, modelli fisico-matematici dei processi di conversione energetica impiegati, ecc.) e di dati di ingresso ricavabili in tempo reale mediante telemisure (flussi di potenza attiva e reattiva, condizioni ambientali, stato dei processi industriali interessati e di eventuali sistemi di accumulo, ecc.). Dal momento che il sistema elettrico può cambiare la propria configurazione in modo rapido, si richiede di gestire le differenti problematiche di dispacciamento energetico in modo dinamico Sistemi di protezione I sistemi di protezione costituiscono uno dei principali punti critici nei moderni sistemi di SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 6

18 1.SISTEMI DI MISURA SINCRONIZZATI NELLE RETI ELETTRICHE distribuzione dell energia elettrica, basati come illustrato in precedenza sull utilizzo diffuso di strutture di rete di tipo magliato. L interesse dei ricercatori del settore è rivolto allo sviluppo di adeguati schemi di protezione con un impiego intensivo di automatismi e di sistemi di telecontrollo; l adozione di questi dispositivi comporta la necessità di effettuare una completa revisione strutturale all interno dei sistemi di distribuzione, in particolare per le applicazioni caratterizzate da elevati livelli di penetrazione di generazione distribuita [7]. I sistemi di protezione utilizzati nelle reti di distribuzione sono realizzati con l intento di isolare in modo selettivo, nel più breve tempo possibile, la sola porzione di rete interessata da guasti, in modo da non causare una perdita di servizio che potrebbe comportare delle gravi ripercussioni sul servizio e sulla produttività degli utenti. Gli schemi di protezione per le reti di distribuzione di tipo magliato presentano una filosofia innovativa rispetto agli schemi tradizionali, ideati per strutture radiali, con flussi di energia che transitano univocamente dalla sorgente verso i carichi. Nelle reti di tipo radiale la selettività delle protezioni è ottenuta regolando i tempi di intervento delle protezioni in funzione della massima corrente: all occorrere di un guasto su un ramo della rete, viene isolato solamente il ramo in questione, mentre il resto del sistema è in grado di operare normalmente. Invece, nel caso di sistemi di distribuzione con elevata integrazione di generazione distribuita non risulta più valido il tradizionale coordinamento delle protezioni e pertanto non risulta più possibile determinare in modo univoco il ramo della rete affetto dal guasto [5]; inoltre un errato intervento delle protezioni può comportare un fuori servizio indesiderato su una sezione di linea sana. Per affrontare il problema del coordinamento delle protezioni sono state recentemente proposte soluzioni basate su schemi di protezione adattativa, nei quali interruttori e sezionatori, dotati di capacità di comunicazione remota e di funzioni di sincronizzazione, possono essere azionati per riconfigurare automaticamente la rete in caso di guasto, minimizzando la porzione che resta priva di alimentazione [6]. Schemi di protezione di questo tipo diventano quindi a tutti gli effetti degli algoritmi, il cui corretto funzionamento (intervento rapido in presenza di guasto e assenza di interventi intempestivi) è determinato in primo luogo dalla qualità dei dati di ingresso, e quindi dalla misura di alcuni parametri, prevalentemente vettori di corrente, acquisiti simultaneamente in punti strategici del sistema. SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 7

19 1.SISTEMI DI MISURA SINCRONIZZATI NELLE RETI ELETTRICHE Misure di power quality Il processo di liberalizzazione e deregolamentazione del mercato dell energia, unitamente alla progressiva diffusione degli impianti di generazione distribuita, ha prodotto una maggiore attenzione verso le problematiche di power quality [2-3]. Con il termine power quality si è soliti intendere l'insieme delle problematiche e dei fenomeni legati alla qualità nella rete elettrica di alimentazione degli impianti civili e industriali. Più specificatamente con questo termine si indica l insieme dei disturbi sulla tensione di alimentazione fornita da una rete elettrica o sulla corrente assorbita da un impianto elettrico quando non vengono verificate le condizioni ideali di: frequenza costante e pari al valore nominale; ampiezza costante e pari al valore nominale; forma d onda sinusoidale; terna simmetrica diretta nel caso di sistemi trifase; continuità del servizio. La qualità dell energia implica sia la qualità del prelievo che la qualità della fornitura. Al fine di assicurare il corretto esercizio dei sistemi elettrici tutte le parti in causa devono rispettare determinate condizioni: il fornitore deve garantire delle tensioni di alimentazione che non alterino il sicuro e corretto funzionamento dei carichi; gli utenti d altra parte devono rispondere a particolari requisiti, in modo da non iniettare in rete disturbi nocivi agli altri carichi e quindi alla qualità della fornitura. La liberalizzazione del mercato dell energia rende oggigiorno sempre più importante individuare le responsabilità per questi disturbi tra i diversi soggetti che interagiscono nel sistema elettrico e suggerisce l utilizzo di opportuni parametri come possibile metrica per caratterizzare la qualità del servizio offerto da una società distributrice [8]. Ciò ha determinato nell'ambito internazionale un proliferare di iniziative di tipo scientifico e normativo per la definizione di opportuni criteri di valutazione dello stato del sistema elettrico di distribuzione e per la realizzazione di sistemi di misura atti a implementare, in modo efficiente, le metodologie proposte [8-17]. Spesso scarsa attenzione è stata dedicata alla qualificazione metrologica di tali misure, per le quali è opportuno implementare e attuare procedure non tradizionali [18-20]. In generale, infatti, le misure di power quality sulle reti di distribuzione dell energia elettrica possono SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 8

20 1.SISTEMI DI MISURA SINCRONIZZATI NELLE RETI ELETTRICHE essere utilizzate per diversi scopi (applicazioni contrattuali, individuazione dei guasti, indagini statistiche, ecc.) e ciascuna specifica applicazione influisce sulla strumentazione e sulla procedura di misura da adottare. La diversa natura dei disturbi che possono verificarsi in una rete di distribuzione rende problematica la definizione di metodologie di misura e di monitoraggio che assumano validità generale. La particolare tipologia di fenomeno considerato, infatti, influenza in modo significativo le caratteristiche del sistema di misura. Alla luce di queste considerazioni è ormai da tempo aperto un dibattito sia sulla scelta delle procedure più adatte per individuare le sorgenti dei disturbi introdotti in rete sia sulla pratica applicabilità di tali metodologie, con riferimento alla sensibilità verso le incertezze [13-15,21-24]. Gli studi condotti a tal proposito consentono di affermare che i metodi basati su misure simultanee in diversi nodi della rete appaiono come i più promettenti [13, 25-26]. 1.3 Sistemi di misura distribuiti nelle reti elettriche di distribuzione Le problematiche di varia natura che vanno ad investire le moderne reti elettriche hanno determinato nella comunità scientifica, e soprattutto tra gli operatori, un proliferare di iniziative finalizzate alla definizione di opportuni criteri di valutazione dello stato del sistema elettrico di distribuzione, valutazione della qualità del servizio offerto agli utenti e individuazione delle sorgenti disturbanti. In virtù degli aspetti precedentemente esposti, di non immediata soluzione, in uno scenario che vede crescere continuamente i livelli di penetrazione della generazione distribuita, diventa sempre più importante sviluppare dei sistemi di misura affidabili e flessibili, in grado di fornire con continuità dei dati aggiornati sulle caratteristiche della rete elettrica. Le indicazioni fornite da tali sistemi di misura devono essere utilizzate sia per aspetti di gestione e protezione del sistema che per fini tariffari dal momento che, nel mercato libero, diventa fondamentale identificare i soggetti del sistema elettrico responsabili dei disturbi prodotti in rete. Occorre considerare che tutte le problematiche di gestione, monitoraggio e controllo devono essere gestite dinamicamente, in quanto il sistema elettrico può cambiare configurazione in modo rapido. Emerge pertanto la necessità di avere a disposizione con continuità dei dati aggiornati ed attendibili sulle caratteristiche del sistema stesso: ciò rende indispensabile la realizzazione di sistemi di misura distribuiti su larga scala in grado di operare misure sui diversi nodi di una rete di distribuzione [13, 15]. SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 9

21 1.SISTEMI DI MISURA SINCRONIZZATI NELLE RETI ELETTRICHE Nel corso degli ultimi anni, il crescente progresso tecnologico ha permesso di progettare e realizzare, con costi relativamente contenuti, opportuni sistemi di misura ad architettura distribuita. Essi sono generalmente composti da unità di misura installate in prossimità dei nodi della rete elettrica e collegate, tramite reti LAN o WAN, ad una unità di controllo che riceve i dati, li elabora e fornisce informazioni utili, che possono essere impiegate nell ambito delle diverse applicazioni citate. In una strategia di misura basata sull impiego di unità dislocate su lunga distanza è necessario definire delle opportune procedure per garantire la riferibilità dei risultati. I rischi, economici o legati alla sicurezza, derivanti da eventuali decisioni non corrette rendono essenziale valutare la qualità delle informazioni fornite dal sistema di misura. Per soddisfare questa esigenza è necessario disporre di dati di misura affidabili e aggiornati, che siano continuamente sincronizzati tra loro, in modo estremamente accurato. La sincronizzazione può essere ottenuta mediante l impiego di diverse sorgenti: per le esigenze più avanzate, nelle quali ad esempio si richiedono valori di sincronizzazione tra i dispositivi dell'ordine di poche centinaia di nanosecondi, il sistema più opportuno appare quello basato su ricevitori satellitari GPS; nel caso invece di specifiche meno stringenti si possono convenientemente impiegare soluzioni alternative, quali quelle basate sui protocolli di sincronizzazione (per esempio NTP, Network Time Protocol). Questi aspetti verranno approfonditi più nel dettaglio nel capitolo seguente. 1.4 Sistemi PMU Tra i diversi dispositivi impiegati per le pratiche applicazioni di misura distribuite nell ambito dei sistemi elettrici, i sistemi PMU sono quelli che attualmente trovano maggiore diffusione. I dispositivi PMU (Phasor Measurement Unit) sono utilizzati per la misura dei fasori sincronizzati rappresentativi delle grandezze elettriche di interesse [27]. Ciascuna unità PMU è in grado di acquisire istantaneamente segnali di tensione e di corrente in modo sincronizzato mediante l utilizzo di una opportuna sorgente di sincronizzazione, tipicamente di tipo GPS. Nei dispositivi PMU presenti in commercio i segnali di rete vengono solitamente acquisiti con una frequenza di campionamento relativamente bassa, che varia tra le 12 e le 48 volte rispetto alla frequenza di rete. Questo significa che nel caso di sistemi con frequenza nominale pari a f n = 50 Hz vengono acquisiti tra i 600 e i 2400 campioni al secondo; nel caso invece di sistemi con f n = 60 Hz in ogni secondo viene acquisito un numero SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 10

22 1.SISTEMI DI MISURA SINCRONIZZATI NELLE RETI ELETTRICHE di campioni compreso tra 720 e Le grandezze campionate vengono successivamente sottoposte ai circuiti dedicati alla conversione analogico-digitale (AD) [28]. Nelle grande maggioranza delle unità di misura fasoriale il processo di acquisizione dei dati risulta direttamente sincronizzato, mediante l impiego di circuiti interni ad aggancio di fase di tipo PLL (Phase Locked Loop), a sorgenti di riferimento satellitari che garantiscono livelli di accuratezza nella sincronizzazione inferiori al microsecondo. La valutazione delle ampiezze e delle fasi dei segnali di tensione e corrente è ottenuta con l impiego di tecniche di signal processing, basate su algoritmi di tipo DFT (Discrete Fourier Trasform). I sincrofasori così ottenuti vengono correlati al riferimento temporale mediante l impiego di etichette (timestamp) associate ai dati e contenenti tutte le indicazioni temporali necessarie, dall'anno passando ai secondi, sino ad arrivare alle frazioni di secondo. Figura 1.1 Diagramma a blocchi di un tipico sistema PMU commerciale Le PMU sono installate in tutti quei punti della rete elettrica su cui si vogliono misurare i valori di tensione, corrente e frequenza; i dati raccolti sono inviati ad un concentratore, detto Phasor Data Concentrator (PDC), con una frequenza di campioni per secondo, e successivamente ad un centro di controllo. Il concentratore esegue una correlazione temporale di tutte le misure provenienti dalle PMU, dislocate su larga scala. L intera sequenza o il particolare sottoinsieme di dati di interesse vengono quindi resi disponibili al centro di controllo, che provvede quindi ad apportare le eventuali modifiche sul sistema elettrico. SINCRONIZZAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI NELLE RETI ELETTRICHE 11

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